DISPOSITIF COMPORTANT UNE MACHINE ELECTRIQUE TOURNANTE .DEVICE COMPRISING A ROTATING ELECTRIC MACHINE.
La présente invention concerne les dispositifs comportant des machines électriques tournantes, notamment celles spécialement conçues pour travailler dans le vide, et plus particulièrement celles conçues pour être montées sur des volants de stockage d'énergie.The present invention relates to devices comprising rotating electrical machines, in particular those specially designed to work in a vacuum, and more particularly those designed to be mounted on energy storage flywheels.
Le stockage d'énergie par volant d'inertie est une technologie bien connue, même si elle n'est pas utilisée de façon courante. Elle présente pourtant de nombreux avantages si on la compare à la technologie de stockage la plus utilisée : la batterie électrochimique. En particulier un volant peut être inusable, alors que la durée de vie d'une batterie est extrêmement courte en terme de nombre de cycles : quelques milliers tout au plus. Le rendement d'un volant peut être excellent, alors que celui d'une batterie est de l'ordre de 50%. Il serait donc très avantageux de pouvoir disposer de volants de stockage d' énergie en remplacement des batteries. Mais il s'avère que les machines électriques (moteur et/ou générateur) qui ont été proposées jusqu'ici pour relier le volant à l'extérieur ne sont pas satisfaisantes.Energy storage by flywheel is a well-known technology, even if it is not used in common. However, it has many advantages when compared to the most used storage technology: the electrochemical battery. In particular, a flywheel can be worn out, while the life of a battery is extremely short in terms of number of cycles: a few thousand at most. The efficiency of a steering wheel can be excellent, while that of a battery is around 50%. It would therefore be very advantageous to be able to have energy storage flywheels to replace the batteries. However, it turns out that the electrical machines (engine and / or generator) which have been proposed so far for connecting the steering wheel to the outside are not satisfactory.
La contrainte la plus importante vient du fait qu'un volant doit tourner dans une atmosphère raréfiée pour ne pas dissiper son énergie en frottements, alors que la plupart des machines électriques sont conçues pour tourner dans l'air. Cela interdit d'utiliser les machines à collecteur tournant, car il est connu que la durée de vie d'un collecteur dans le vide est très réduite. Cela interdit aussi les machines avec des conducteurs au rotor, car il serait impossible d'évacuer la chaleur produite par l'effet Joule.The most important constraint comes from the fact that a flywheel must turn in a rarefied atmosphere in order not to dissipate its energy in friction, while most electric machines are designed to turn in the air. This prohibits the use of rotating collector machines, as it is known that the service life of a collector in a vacuum is very short. It also prohibits machines with rotor conductors, as it would be impossible to dissipate the heat produced by the Joule effect.
Certains ont proposé des machines à aimants permanents au rotor, mais ces machines ont deux inconvénients majeurs : leurs pertes à vide sont très
élevées, et la tension qu'elles produisent varie avec la vitesse de rotation.Some have proposed permanent magnet machines to the rotor, but these machines have two major drawbacks: their no-load losses are very high, and the voltage they produce varies with the speed of rotation.
Récemment la société américaine Active Power a mis sur le marché une machine de technologie homopolaire, décrite par exemple dans le brevet américain US-5 969 457. Dans cette technologie, une bobine coaxiale avec le volant est parcourue par un courant continu qui crée un champ magnétique permanent d'excitation à travers le volant (qui doit être magnétiquement perméable) et le stator. Des dents sont taillées dans le volant pour concentrer le champ magnétique. Il suffit de placer des bobines induites face aux dents pour obtenir une tension alternative. Cette machine résout les problèmes précédents, mais elle a encore des inconvénients : le volant ne peut pas être optimisé pour le stockage d'énergie puisqu'il a un rôle électrique ; le volant étant massif, les variations du champ magnétique dans les dents créent des courants de Foucault qui dissipent de l'énergie et échauffent le volant.Recently the American company Active Power has put on the market a machine with zero sequence technology, described for example in American patent US-5,969,457. In this technology, a coaxial coil with the flywheel is traversed by a direct current which creates a field permanent magnetic excitation through the flywheel (which must be magnetically permeable) and the stator. Teeth are cut in the flywheel to concentrate the magnetic field. It suffices to place induced coils opposite the teeth to obtain an alternating voltage. This machine solves the previous problems, but it still has drawbacks: the flywheel cannot be optimized for energy storage since it has an electrical role; the flywheel being massive, the variations of the magnetic field in the teeth create eddy currents which dissipate energy and heat the flywheel.
Par ailleurs, le document EP-A-0 348 984 décrit un dispositif comportant une machine électrique rotative qui comprend un rotor tournant autour d'un axe de rotation et un stator, le rotor comportant une pluralité de dents en matériau ferromagnétique divisé mais ne comportant ni conducteur ni aimant permanent, le stator comportant une pluralité de dents en matériau ferromagnétique divisé, orientées vers le rotor, chaque dent du stator étant entourée d'une bobine, les bobines comprenant d'une part des bobines d' excitation qui sont reliées électriquement à une unité de commande et de puissance pour recevoir un courant d'excitation, et d'autre part, des bobines de réception adaptées pour produire une tension induite lorsque le rotor tourne.Furthermore, document EP-A-0 348 984 describes a device comprising a rotary electric machine which comprises a rotor rotating around an axis of rotation and a stator, the rotor comprising a plurality of teeth made of divided ferromagnetic material but not comprising neither conductor nor permanent magnet, the stator comprising a plurality of teeth of divided ferromagnetic material, oriented towards the rotor, each tooth of the stator being surrounded by a coil, the coils comprising on the one hand excitation coils which are electrically connected to a control and power unit for receiving an excitation current, and on the other hand, receiving coils adapted to produce an induced voltage when the rotor turns.
Ce dispositif présente notamment l'inconvénient que la réluctance totale du circuit magnétique varie considérablement lorsque le rotor tourne. On peut en effet
constater que pour certaines positions angulaires du rotor, il n'y a plus aucune connexion magnétique entre les dents, ce qui a pour conséquence que le flux magnétique d'excitation est nul. La variation du flux dans le circuit magnétique d'excitation lorsque le rotor tourne induit des pics de tension dans les bobinages d'excitation, très gênants pour le circuit chargé de produire le courant d' excitation.This device has the particular disadvantage that the total reluctance of the magnetic circuit varies considerably when the rotor turns. We can indeed note that for certain angular positions of the rotor, there is no longer any magnetic connection between the teeth, which has the consequence that the magnetic excitation flux is zero. The variation of the flux in the magnetic excitation circuit when the rotor turns induces voltage peaks in the excitation windings, very troublesome for the circuit responsible for producing the excitation current.
La présente invention a notamment pour but de pallier cet inconvénient.The object of the present invention is in particular to overcome this drawback.
A cet effet, un dispositif du genre en question est caractérisé en ce que les dents du rotor et du stator sont disposées pour que la réluctance totale d'un circuit magnétique formé par l'ensemble des dents du rotor et du stator reste sensiblement constante lorsque le rotor tourne .To this end, a device of the type in question is characterized in that the teeth of the rotor and of the stator are arranged so that the total reluctance of a magnetic circuit formed by all of the teeth of the rotor and of the stator remains substantially constant when the rotor turns.
On notera que le mot "dent" utilisé ici doit être entendu comme désignant une portion de rotor ou de stator à forte perméabilité magnétique séparé des autres dents par des zones de plus faible perméabilité magnétique (air, vide, matériau solide de relativement faible perméabilité magnétique, etc.). Les dents selon l'invention ne sont donc pas nécessairement des parties saillantes du rotor ou du stator. Dans des modes de réalisation préférés, on peut avoir recours en outre à l'une et/ou à l'autre des dispositions suivantes, le cas échéant indépendamment des dispositions précédemment décrites : les dents du rotor sont au nombre de quatre et couvrent chacune un secteur angulaire d'environ soixante degrés centré sur l'axe de rotation, lesdites dents du rotor étant angulairement équiréparties autour de l'axe de rotation, les dents du stator sont au nombre de douze et couvrent chacune un secteur angulaire d' environ trente degrés centré sur l'axe de rotation, les bobines
d'excitation sont au nombre de six et sont couplées par paires de bobines d'excitation diamétralement opposées, et les bobines de réception sont au nombre de six et sont couplées par paires de bobines de réception diamétralement opposées ; les dents du rotor sont au nombre de trois et couvrent chacune un secteur angulaire d' environ ' soixante degrés centré sur l'axe de rotation, lesdites dents du rotor étant équiréparties autour de l'axe de rotation, les dents du stator sont au nombre de quatre et couvrent chacune un secteur angulaire d' environ quatre-vingt dix degrés centré sur l'axe de rotation, les bobines d' excitation sont au nombre de deux et sont couplées en une paire de bobines d'excitation diamétralement opposée, et les bobines de réception sont au nombre de deux et sont couplées en une paire de bobines de réception diamétralement opposées ; les dents du rotor sont fixées sur un volant d' inertie ; - le volant d'inertie, le rotor et le stator sont contenus dans une enceinte sous vide ; les dents du rotor sont disposées en regard d'un radiateur solidaire de l'enceinte sous vide, lesdites dents du rotor étant adaptées pour dissiper de l'énergie thermique par radiation vers ledit radiateur ; les dents du rotor sont indépendantes les unes des autres ; les dents du rotor sont isolées thermiquement du volant ; - le volant d'inertie est en acier inoxydable austénitique ; le volant d' inertie comporte au moins un rebord qui présente une face radialement intérieure contre laquelle s'appuient les dents du rotor ; - le rebord présente une extrémité libre
prolongée radialement vers l'intérieur par une patte au niveau de chaque dent du rotor, ladite patte du rebord recouvrant partiellement la dent correspondante du rotor ; la dent du rotor est enserrée par une cage elle-même emboîtée à force entre la patte du rebord et une surface d'appui appartenant au volant d'inertie, ladite cage étant en appui contre la face radialement intérieure du rebord, et ladite cage isolant la dent correspondante de tout contact direct avec le volant d' inertie ; - la cage comporte :It will be noted that the word "tooth" used here must be understood as designating a portion of rotor or stator with high magnetic permeability separated from the other teeth by zones of lower magnetic permeability (air, vacuum, solid material of relatively low magnetic permeability , etc.). The teeth according to the invention are therefore not necessarily protruding parts of the rotor or the stator. In preferred embodiments, recourse may also be had to one and / or the other of the following arrangements, where appropriate independently of the arrangements described above: the teeth of the rotor are four in number and each cover a angular sector of about sixty degrees centered on the axis of rotation, said rotor teeth being angularly distributed around the axis of rotation, the stator teeth are twelve in number and each cover an angular sector of about thirty degrees centered on the axis of rotation, the coils of excitation are six in number and are coupled in pairs of diametrically opposite excitation coils, and the receiving coils are six in number and are coupled in pairs of diametrically opposite receiving coils; the teeth of the rotor are three in number and each cover an angular sector of about 'sixty degrees centered on the axis of rotation, said teeth of the rotor being equally distributed around the axis of rotation, the teeth of the stator are one in number of four and each cover an angular sector of approximately ninety degrees centered on the axis of rotation, the excitation coils are two in number and are coupled into a pair of diametrically opposite excitation coils, and the two receiving coils are coupled to a pair of diametrically opposite receiving coils; the rotor teeth are fixed on a flywheel; - the flywheel, the rotor and the stator are contained in a vacuum enclosure; the teeth of the rotor are arranged opposite a radiator integral with the vacuum enclosure, said teeth of the rotor being adapted to dissipate thermal energy by radiation towards said radiator; the teeth of the rotor are independent of each other; the rotor teeth are thermally insulated from the flywheel; - the flywheel is made of austenitic stainless steel; the flywheel has at least one flange which has a radially inner face against which the teeth of the rotor bear; - the rim has a free end extended radially inwards by a tab at each tooth of the rotor, said tab of the rim partially covering the corresponding tooth of the rotor; the rotor tooth is enclosed by a cage which is itself force-fitted between the flange of the flange and a bearing surface belonging to the flywheel, said cage being in abutment against the radially inner face of the flange, and said insulating cage the corresponding tooth from any direct contact with the flywheel; - the cage includes:
. une face arrière interposée entre la dent correspondante du rotor et la face radialement intérieure (23a) du rebord, et plusieurs pattes élastiques qui enserrent la dent correspondante du rotor sur quatre côtés, au moins une desdites pattes élastiques étant en appui sous la patte du rebord et au moins deux desdites pattes élastiques étant en appui contre la surface d' appui du volant d' inertie ; la patte du rebord comporte une extrémité libre formant une tête élargie, la patte élastique qui est en appui sous ladite patte du rebord présentant deux rabats disposés de part et d'autre de la patte du rebord en appui derrière la tête élargie de ladite patte, pour solidariser la cage et la dent correspondante du rotor avec le volant d' inertie ; - la cage est en acier inoxydable austénitique ; le volant d' inertie présente un renflement central et un renflement périphérique séparés l'un de l'autre par un amincissement annulaire, les dents du rotor étant fixées sur l'un des renflements et le stator étant placé en regard de l'amincissement ; l'unité de commande et de puissance est adaptée pour générer un courant d'excitation fonction d'une vitesse de rotation du rotor, pour maintenir sensiblement constante la tension induite ; - les bobines de réception sont adaptées pour
produire un courant triphasé à fréquence variable et pour envoyer ce courant triphasé à l'unité de commande et de puissance, ladite unité de commande et de puissance comprenant un cycloconvertisseur pour transformer ledit courant triphasé en un courant alternatif de fréquence fixe ; les bobines de réception sont adaptées pour générer un courant triphasé et pour envoyer ce courant triphasé à l'unité de commande et de puissance, ladite unité de commande et de puissance étant adaptée pour redresser ledit courant triphasé en un courant continu puis pour transformer ledit courant continu en un courant alternatif de fréquence fixe par un onduleur ; les dents du stator sont angulairement équiréparties autour de l'axe de rotation et portent alternativement une bobine d'excitation et une bobine de réception, les dents du rotor étant angulairement équiréparties autour de l'axe de rotation, les dents du rotor et du stator étant disposées pour qu'à chaque instant, au moins une des dents du rotor recouvre au moins une paire de deux dents adjacentes du stator en définissant un circuit magnétique entre ces deux dents du stator, ladite dent du rotor recouvrant respectivement lesdites deux dents de la paire de dents adjacente respectivement sur des première et deuxième surfaces dont la plus petite définit une section de passage de flux magnétique, et les dents du rotor et du stator étant conformées pour que la somme des sections de passage de flux magnétique de toutes les paires de dents adjacentes du stator reliées magnétiquement par les dents du rotor soit sensiblement constante au cours du temps .. a rear face interposed between the corresponding tooth of the rotor and the radially inner face (23a) of the flange, and several elastic tabs which enclose the corresponding tooth of the rotor on four sides, at least one of said elastic tabs being supported under the tab of the flange and at least two of said elastic tabs bearing against the bearing surface of the flywheel; the tab of the rim has a free end forming an enlarged head, the elastic tab which is supported under said tab of the rim having two flaps arranged on either side of the tab of the flange in support behind the enlarged head of said tab, to secure the cage and the corresponding tooth of the rotor with the flywheel; - the cage is made of austenitic stainless steel; the flywheel has a central bulge and a peripheral bulge separated from each other by an annular thinning, the teeth of the rotor being fixed on one of the bulges and the stator being placed opposite the thinning; the control and power unit is adapted to generate an excitation current as a function of a speed of rotation of the rotor, to maintain the induced voltage substantially constant; - the receiving coils are suitable for producing a three-phase current at variable frequency and for sending this three-phase current to the control and power unit, said control and power unit comprising a cycloconverter for transforming said three-phase current into an alternating current of fixed frequency; the receiving coils are adapted to generate a three-phase current and to send this three-phase current to the control and power unit, said control and power unit being adapted to rectify said three-phase current into a direct current and then to transform said current continuous in alternating current of fixed frequency by an inverter; the stator teeth are angularly distributed about the axis of rotation and carry alternately an excitation coil and a receiving coil, the rotor teeth being angularly distributed around the axis of rotation, the rotor and stator teeth being arranged so that at any time, at least one of the teeth of the rotor covers at least one pair of two adjacent teeth of the stator by defining a magnetic circuit between these two teeth of the stator, said tooth of the rotor respectively covering said two teeth of the pair of adjacent teeth respectively on first and second surfaces, the smallest of which defines a magnetic flux passage section, and the teeth of the rotor and of the stator being shaped so that the sum of the magnetic flux passage sections of all the pairs of adjacent stator teeth magnetically connected by the rotor teeth is substantially constant over time.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront au cours de la description détaillée de plusieurs de ses formes de réalisation, données à titre d'exemples non limitatifs, en regard des
dessins joints.Other characteristics and advantages of the invention will appear during the detailed description of several of its embodiments, given by way of nonlimiting examples, with regard to the attached drawings.
Sur les dessins : la figure 1 représente une vue schématique d'un système de production d'électricité selon une forme de réalisation de l'invention, comportant une machine électrique rotative dont le rotor est fixé sur un volant d' inertie, la figure 2 représente une vue en coupe radiale de la machine électrique rotative équipant le système de la figure 1, la figure 3 est une vue en coupe selon la ligne III-III de la figure 2, la figure 4 représente une partie agrandie de la figure 1, montrant en détail les dispositions de refroidissement de la machine électrique rotative, la figure 5 est une vue similaire à la figure 2, dans une variante de l'invention, et les figures 6 et 7 sont des vues de détail montrant la fixation des dents du rotor sur le volant d'inertie, dans une autre forme de réalisation de 1' invention.In the drawings: FIG. 1 represents a schematic view of an electricity production system according to an embodiment of the invention, comprising a rotary electric machine whose rotor is fixed to a flywheel, FIG. 2 represents a radial sectional view of the rotary electric machine equipping the system of FIG. 1, FIG. 3 is a sectional view along line III-III of FIG. 2, FIG. 4 represents an enlarged part of FIG. 1, showing in detail the cooling arrangements of the rotary electric machine, FIG. 5 is a view similar to FIG. 2, in a variant of the invention, and FIGS. 6 and 7 are detailed views showing the fixing of the teeth of the rotor on the flywheel, in another embodiment of the invention.
La figure 1 représente une vue schématique d'un système de production d' électricité comportant un volant de stockage et une machine électrique rotative. Ce système est décrit en détail dans le document WO 01/63729 et seuls ses principaux éléments sont décrits ici.FIG. 1 represents a schematic view of an electricity production system comprising a storage flywheel and a rotary electric machine. This system is described in detail in document WO 01/63729 and only its main elements are described here.
Le système de production d'électricité 1 comporte : un moteur thermique 2, un variateur de vitesse mécanique 3 entraîné par le moteur 2, un embrayage 4 entraîné par le variateur de vitesse 3, un volant d'inertie 5 tournant autour d'un axe de rotation Z (en l'occurrence vertical) et entraîné par le moteur 2 par l'intermédiaire du variateur 3 et de
l'embrayage 4, le volant 5 étant réalisé par exemple en acier inoxydable austénitique, une machine électrique rotative, et notamment un générateur 6 permettant de transformer en énergie électrique l'énergie cinétique du volant 5, et une unité électronique de commande et de puissance 7.The electricity production system 1 comprises: a heat engine 2, a mechanical speed variator 3 driven by the motor 2, a clutch 4 driven by the speed variator 3, a flywheel 5 rotating around an axis of rotation Z (in this case vertical) and driven by the motor 2 via the variator 3 and the clutch 4, the flywheel 5 being made for example of austenitic stainless steel, a rotary electric machine, and in particular a generator 6 making it possible to transform the kinetic energy of the flywheel 5 into electrical energy, and an electronic control and power unit 7.
Le volant 5 tourne de préférence dans une enceinte sous vide 8 qui contient également le générateur 6 et l'embrayage 4.The flywheel 5 preferably rotates in a vacuum enclosure 8 which also contains the generator 6 and the clutch 4.
L'enceinte 8 et le moteur thermique 2 sont montés de préférence sur des supports antivibratoires 9 dont certains reposent sur un socle 9a en béton ou similaire. L'unité de commande et de puissance 7 commande le variateur de vitesse mécanique 3, à l'aide d'un moteur électrique 10, et ladite unité de commande et de puissance commande également l'embrayage 4 et le générateur 6. L'unité de commande et de puissance 7 reçoit la puissance électrique du générateur 6 et la transforme en une tension électrique conforme aux attentes de l'utilisateur.The enclosure 8 and the heat engine 2 are preferably mounted on anti-vibration supports 9, some of which rest on a concrete base 9a or the like. The control and power unit 7 controls the mechanical speed controller 3, using an electric motor 10, and said control and power unit also controls the clutch 4 and the generator 6. The unit control and power 7 receives the electric power from the generator 6 and transforms it into an electric voltage in accordance with the expectations of the user.
Le volant 5 présente avantageusement une forme à deux renflements symétriques de révolution autour de l'axe Z, l'un au centre 11, l'autre en périphérie 12, avec un amincissement annulaire 13 entre les deux renflement 11, 12. Le rotor 14 du générateur 6 est fixé sur l'un des deux renflements 11, 12 (notamment le renflement extérieur 12). Le stator 15, solidaire de l'enceinte 8, est quant à lui placé au niveau de l'amincissement 13.The steering wheel 5 advantageously has a shape with two symmetrical bulges of revolution around the axis Z, one at the center 11, the other at the periphery 12, with an annular thinning 13 between the two bulges 11, 12. The rotor 14 of the generator 6 is fixed to one of the two bulges 11, 12 (in particular the outer bulge 12). The stator 15, integral with the enclosure 8, is in turn placed at the level of the thinning 13.
L'avantage de ce mode de réalisation est que le générateur 6 est ainsi parfaitement intégré dans le volant 5 : le rotor 14 est à un endroit où sa fixation est facile et où il est bien soutenu par la structure du volant 5 ; le stator 15 vient s'insérer dans un emplacement disponible, si bien que l'encombrement de l'ensemble volant/générateur 5, 6 est identique à celui du volant 5 seul. Ces
dispositions sont spécialement avantageuses par rapport aux solutions connues auparavant, qui présentaient de nombreux inconvénients : si le générateur 6 est distinct du volant 5, l'encombrement axial devient très important, et il faut ajouter des paliers et un accouplement ;The advantage of this embodiment is that the generator 6 is thus perfectly integrated in the flywheel 5: the rotor 14 is at a place where its attachment is easy and where it is well supported by the structure of the flywheel 5; the stator 15 is inserted in an available location, so that the size of the flywheel / generator 5, 6 is identical to that of the flywheel 5 alone. These provisions are especially advantageous compared to previously known solutions, which had many drawbacks: if the generator 6 is separate from the flywheel 5, the axial size becomes very large, and it is necessary to add bearings and a coupling;
- si le générateur 6 est intégré à la périphérie du volant 5, l'encombrement radial devient très grand et le rotor 14 est soumis à une force centrifuge importante ; - enfin si le générateur 6 est intégré au centre du volant 5, il faut percer ce dernier, ce qui augmente localement le niveau de contraintes et donc nécessite un volant 5 plus lourd.- If the generator 6 is integrated on the periphery of the flywheel 5, the radial size becomes very large and the rotor 14 is subjected to a large centrifugal force; - Finally, if the generator 6 is integrated in the center of the flywheel 5, it must be pierced, which locally increases the level of stress and therefore requires a heavier flywheel 5.
La figure 2 représente le générateur 6 de la figure 1 pour un mode de réalisation préférentiel. Le circuit magnétique, constitué par le rotor 14 et le stator 15, est réalisé en matériau ferromagnétique convenant aux hautes fréquences, c'est-à-dire divisé et non massif : il peut s'agir de tôles minces découpées et empilées, ou de poudre frittée. Le rotor 14 est avantageusement constitué de quatre dents 16 ayant chacune la forme d'un secteur angulaire s' étendant sur environ 60° autour de l'axe Z. Ces dents 16 sont de préférence indépendantes les unes des autres afin que pendant la rotation à vitesse élevée elles ne soient pas soumises à une contrainte trop importante, ce qui risquerait de se produire si elles étaient réunies dans une couronne monobloc.Figure 2 shows the generator 6 of Figure 1 for a preferred embodiment. The magnetic circuit, consisting of the rotor 14 and the stator 15, is made of ferromagnetic material suitable for high frequencies, that is to say divided and not massive: it can be thin sheets cut and stacked, or sintered powder. The rotor 14 advantageously consists of four teeth 16 each having the shape of an angular sector extending over approximately 60 ° around the axis Z. These teeth 16 are preferably independent of each other so that during rotation at high speed they are not subjected to too much stress, which could occur if they were united in a monobloc crown.
Le stator 15 est avantageusement constitué d'une couronne comportant douze dents 17, s' étendant chacune sur un peu moins de 30° autour de l'axe Z. La base des dents 17 est amincie afin de ménager de l'espace pour enrouler une bobine 18a, 18b, 18c, 18d autour de chacune d'elles. Une bobine sur deux (référencée 18a sur la figure 2) est parcourue par un courant d'excitation imposé par l'unité de commande et de puissance 7. Ces bobines d'excitation 18a
sont branchées de façon alternée, c'est-à-dire en produisant un champ magnétique alternativement vers l'extérieur et vers l'intérieur de la dent 17, comme indiqué par les flèches sur la figure 2 (autrement dit, les champs magnétiques P des deux bobines 18a d'une même paire de bobines diamétralement opposées sont alignés et de même sens) .The stator 15 advantageously consists of a crown comprising twelve teeth 17, each extending over a little less than 30 ° around the axis Z. The base of the teeth 17 is thinned in order to provide space for winding a coil 18a, 18b, 18c, 18d around each of them. One coil out of two (referenced 18a in FIG. 2) is traversed by an excitation current imposed by the control and power unit 7. These excitation coils 18a are connected alternately, i.e. by producing a magnetic field alternately outwards and inwards of tooth 17, as indicated by the arrows in FIG. 2 (in other words, the magnetic fields P two coils 18a of the same pair of diametrically opposite coils are aligned and in the same direction).
Les autres bobines 18b, 18c, 18d sont soumises à une tension induite alternative provoquée par le passage des dents 16 devant les dents 17 lors de la rotation du rotor 14. Ces bobines de réception 18b, 18c, 18d sont branchées deux à deux (les bobines diamétralement opposées étant reliées ensemble) , de façon que les bobines 18b, 18c, 18d forment respectivement trois phases U, V, W, comme indiqué sur la figure 2.The other coils 18b, 18c, 18d are subjected to an alternating induced voltage caused by the passage of the teeth 16 in front of the teeth 17 during the rotation of the rotor 14. These receiving coils 18b, 18c, 18d are connected in pairs (the diametrically opposite coils being connected together), so that the coils 18b, 18c, 18d respectively form three phases U, V, W, as shown in Figure 2.
Le courant d' excitation est le plus généralement de type continu, et il est régulé pour que la tension de sortie induite soit constante. En effet, pour un courant donné, la tension induite par la rotation du rotor 14 varie avec la vitesse de rotation. Si la demande est très faible, il est même possible d'arrêter le courant d'excitation, ce qui conduit à des pertes totalement nulle dans le générateur 6. On obtient finalement un générateur 6 triphasé parfaitement adapté au montage sur un volant 5 de stockage d'énergie. En effet, les seules pertes au rotor 14 sont dues au champ magnétique variable dans les dents 16. Comme on a pris soin de réaliser ces dents 16 en un matériau à faibles pertes, et que l'on régule le champ d'excitation en fonction des besoins, on a les pertes les plus faibles qu'il est possible d'avoir.The excitation current is most generally of the continuous type, and it is regulated so that the induced output voltage is constant. Indeed, for a given current, the voltage induced by the rotation of the rotor 14 varies with the speed of rotation. If the demand is very low, it is even possible to stop the excitation current, which leads to totally zero losses in the generator 6. Finally, a three-phase generator 6 is perfectly suited for mounting on a storage flywheel 5 energy. In fact, the only losses to the rotor 14 are due to the variable magnetic field in the teeth 16. As care has been taken to produce these teeth 16 in a material with low losses, and that the excitation field is regulated as a function needs, we have the lowest possible losses.
Dans le cas d'un générateur 6 triphasé à tension régulée comme celui de la figure 2, l'unité de commande et de puissance 7 peut avantageusement comporter un cycloconvertisseur 7a pour générer une tension alternative de fréquence fixe. Cette technologie offre l'avantage d'un
meilleur rendement que la technologie classique consistant à redresser puis à onduler la tension produite, au moyen d'un onduleur 7a au lieu du cycloconvertisseur. La solution de l'onduleur est toutefois envisageable dans le cadre de la présente invention.In the case of a three-phase generator 6 with regulated voltage like that of FIG. 2, the control and power unit 7 can advantageously include a cycloconverter 7a for generating an alternating voltage of fixed frequency. This technology offers the advantage of better performance than the conventional technology of rectifying and then undulating the voltage produced, by means of an inverter 7a instead of the cycloconverter. The solution of the inverter can however be envisaged in the context of the present invention.
Une autre possibilité est de faire varier le courant d'excitation périodiquement, à la fréquence de la tension désirée par l'utilisateur, de façon à produire directement une tension de sortie variant à la bonne fréquence, qu'il suffit de redresser pour éliminer la haute fréquence due à la rotation.Another possibility is to vary the excitation current periodically, at the frequency of the voltage desired by the user, so as to directly produce an output voltage varying at the right frequency, which it suffices to rectify to eliminate the high frequency due to rotation.
On peut remarquer une caractéristique importante du générateur 6 de la figure 2 : la réluctance totale du circuit magnétique entourant l'ensemble des bobines 18a qui sont excitées par le courant reste sensiblement constante durant la rotation du rotor 14.One can note an important characteristic of the generator 6 of FIG. 2: the total reluctance of the magnetic circuit surrounding all of the coils 18a which are excited by the current remains substantially constant during the rotation of the rotor 14.
En effet, les dents 16 du rotor forment entre certaines dents 17 adjacentes du stator, des circuits magnétiques dont les lignes de champ B sont représentées pour l'une des dents 16 sur la figure 2. Ces circuits magnétiques ont chacun une certaine section de passage de flux magnétique, que l'on peut définir comme étant la plus petite des deux surfaces extérieures de deux dents 17 adjacentes, situées en regard de la dent, 16 concernée. Par exemple, on a représenté en traits gras sur la figure 2, pour l'une des dents 16 du stator, les trois surfaces en regard de la dent 16 SI, S2, S3 appartenant respectivement à trois dents 17 adjacentes recouvertes au moins partiellement par ladite dent 16. Ces trois dents 17 adjacentes forment deux paires de dents adjacentes : une première paire de dents adjacente ayant respectivement des surfaces SI, S2 en regard de la dent 16 et formant un premier circuit magnétique avec ladite dent 16,
et une deuxième paire de dents 17 adjacente ayant respectivement des surfaces S2, S3 en regard de la dent 16 correspondante et formant un deuxième circuit magnétique avec ladite dent 16. Dans l'exemple représenté sur la figure 2, les surfaces SI et S3 sont inférieures à la surface S2, de sorte que la section de passage de flux magnétique de la première paire de dents 17 vaut SI et la section de passage de flux magnétique de la deuxième paire de dents 17 vaut S3.Indeed, the teeth 16 of the rotor form, between certain teeth 17 adjacent to the stator, magnetic circuits whose field lines B are shown for one of the teeth 16 in FIG. 2. These magnetic circuits each have a certain passage section magnetic flux, which can be defined as being the smaller of the two outer surfaces of two adjacent teeth 17, located opposite the tooth, 16 concerned. For example, there is shown in bold lines in FIG. 2, for one of the teeth 16 of the stator, the three facing surfaces of the tooth 16 SI, S2, S3 belonging respectively to three adjacent teeth 17 covered at least partially by said tooth 16. These three adjacent teeth 17 form two pairs of adjacent teeth: a first pair of adjacent teeth having surfaces S1, S2 respectively opposite tooth 16 and forming a first magnetic circuit with said tooth 16, and a second pair of adjacent teeth 17 respectively having surfaces S2, S3 opposite the corresponding tooth 16 and forming a second magnetic circuit with said tooth 16. In the example shown in FIG. 2, the surfaces S1 and S3 are lower at the surface S2, so that the magnetic flux passage section of the first pair of teeth 17 is SI and the magnetic flux passage section of the second pair of teeth 17 is S3.
On peut constater que lorsque le rotor tourne dans le sens des aiguilles d'une montre dans l'exemple de la figure 2, la surface S3 augmente progressivement et la surface Si diminue d'autant, jusqu'à ce que la dent 16 considérée commence à recouvrir une nouvelle dent 17. Dans tous les cas, chaque dent 16 correspond à une section totale de passage de flux magnétique sensiblement constante, égale à S1+S3, c'est-à-dire égale à la surface extérieure S2 d'une dent 17 complète. Plus généralement, selon l'invention, la réluctance magnétique totale constante du circuit magnétique formé par l'ensemble des dents 16, 17 signifie que la somme des sections de passage de flux magnétique correspondant aux différentes paires de dents 17 recouvertes au moins partiellement par les dents 16 du rotor, reste sensiblement constante au cours du temps .It can be seen that when the rotor turns clockwise in the example of FIG. 2, the surface S3 gradually increases and the surface Si decreases by as much, until the tooth 16 considered begins to cover a new tooth 17. In all cases, each tooth 16 corresponds to a total cross section of substantially constant magnetic flux, equal to S1 + S3, that is to say equal to the external surface S2 of a tooth 17 complete. More generally, according to the invention, the constant total magnetic reluctance of the magnetic circuit formed by the set of teeth 16, 17 means that the sum of the magnetic flux passage sections corresponding to the different pairs of teeth 17 covered at least partially by the teeth 16 of the rotor, remains substantially constant over time.
Une autre disposition intéressante du générateur 6 est que l'on peut très facilement isoler thermiquement le rotor 14 du volant 5, comme représenté sur la figure 3. Il suffit d'interposer une faible épaisseur de matériau isolant thermique 20, comme par exemple de l'acier inoxydable ou de la matière plastique. Comme le rotor 14 est la seule partie tournante où de la chaleur est produite, sa température va devenir nettement plus élevée que celle du volant 5, la présence de l'isolant 20 offre
l'avantage d'éviter que le volant ne devienne trop chaud, ce qui diminuerait sa résistance mécanique. Il est nettement moins gênant que le rotor 14 devienne chaud ; au contraire, une température élevée augmente sa résistivité, ce qui réduit les pertes, et augmente le rayonnement, qui est le seul mode de refroidissement dans le vide. On peut augmenter encore le refroidissement par rayonnement en plaçant sur le rotor 14 une ou plusieurs plaque (s) d'appui 21 thermiquement conductrice (s) , en étroit contact thermique avec le rotor 14, ce qui augmente la capacité calorifique et la surface d'émission. Face à la plaque d'appui 21, on peut placer sur l'enceinte 8 du volant 5 un ou plusieurs radiateur (s) 22 recueillant le rayonnement et l'évacuant dans l'air par des ailettes 22a. S'il n'y a qu'un seul radiateur 22, il peut avantageusement être annulaire et centré sur l'axe Z. Comme représenté sur la figure 3 le stator 15 peut être refroidi à l'aide d'un circuit d'eau 19, si la puissance à dissiper est importante. Si la puissance est faible, la conduction thermique du stator vers l'enceinte 8 du volant 5 peut suffire.Another advantageous arrangement of the generator 6 is that it is very easy to thermally insulate the rotor 14 from the flywheel 5, as shown in FIG. 3. It suffices to interpose a small thickness of thermal insulating material 20, such as for example l stainless steel or plastic. As the rotor 14 is the only rotating part where heat is produced, its temperature will become significantly higher than that of the flywheel 5, the presence of the insulator 20 offers the advantage of preventing the steering wheel from becoming too hot, which would reduce its mechanical resistance. It is much less annoying that the rotor 14 becomes hot; on the contrary, a high temperature increases its resistivity, which reduces losses, and increases radiation, which is the only mode of cooling in a vacuum. Radiation cooling can be further increased by placing on the rotor 14 one or more thermally conductive support plate (s) 21, in close thermal contact with the rotor 14, which increases the heat capacity and the surface area d 'program. Facing the support plate 21, one can place on the enclosure 8 of the steering wheel 5 one or more radiator (s) 22 collecting the radiation and discharging it into the air by fins 22a. If there is only one radiator 22, it can advantageously be annular and centered on the axis Z. As shown in FIG. 3, the stator 15 can be cooled using a water circuit 19, if the power to be dissipated is significant. If the power is low, the thermal conduction of the stator to the enclosure 8 of the flywheel 5 may be sufficient.
Une autre disposition intéressante consiste à réaliser une unité de commande et de puissance 7 qui soit réversible, c'est-à-dire capable de transmettre de l'énergie vers le volant 5 à travers le générateur 6, qui se comporte alors comme un moteur. Le générateur 6 de la figure 2 peut tout à fait fonctionner en moteur, à condition d'être commandé correctement. Ainsi, si le système est raccordé à d'autres sources d'électricité, le volant 5 peut servir à stocker l'énergie qu'elles produisent. Cela est particulièrement intéressant avec des sources d'énergie renouvelables comme le soleil et le vent, dont les moments de production ne correspondent pas aux moments de consommation. Par ailleurs, comme représenté sur la figure 5, le
générateur 6 pourrait être monophasé au lieu d' être triphasé. Dans ce cas, comme représenté sur la figure 5, le rotor 14 pourrait comporter uniquement trois dents 16 réalisées comme décrit précédemment et réparties régulièrement autour du stator 15, lequel stator 15 pourrait comporter uniquement quatre dents 17 ayant chacune la forme d'un secteur angulaire s' étendant sur un peu moins de 90° autour de l'axe Z.Another interesting arrangement consists in producing a control and power unit 7 which is reversible, that is to say capable of transmitting energy to the flywheel 5 through the generator 6, which then behaves like a motor. . The generator 6 of FIG. 2 can fully operate as a motor, provided that it is controlled correctly. Thus, if the system is connected to other sources of electricity, the flywheel 5 can be used to store the energy they produce. This is particularly interesting with renewable energy sources like the sun and the wind, whose production moments do not correspond to the consumption moments. Furthermore, as shown in FIG. 5, the generator 6 could be single phase instead of three phase. In this case, as shown in FIG. 5, the rotor 14 could comprise only three teeth 16 produced as described above and distributed regularly around the stator 15, which stator 15 could comprise only four teeth 17 each having the shape of an angular sector extending a little less than 90 ° around the Z axis.
La base de chaque dent 17 est amincie, comme dans l'exemple précédemment décrit, afin de manager de l'espace pour enrouler une bobine, respectivement 18a, 18b autour de chacune d'elles. Deux bobines 18a enroulées autour des dents diamétralement opposées, dites bobines d'excitation, sont parcourues par un courant d' excitation imposé par l'unité de commande et de puissance 7. Ces deux bobines d'excitation 18a sont branchées de façon alternée, comme décrit précédemment, de façon à produire dans les dents 17 correspondantes des champs magnétiques P alignés et de même sens (l'un de ces champs magnétiques P est donc orienté radialement vers l'intérieur tandis que l'autre est orienté radialement vers l'extérieur du stator).The base of each tooth 17 is thinned, as in the example previously described, in order to manage the space for winding a coil, respectively 18a, 18b around each of them. Two coils 18a wound around the diametrically opposite teeth, called excitation coils, are traversed by an excitation current imposed by the control and power unit 7. These two excitation coils 18a are connected alternately, as described above, so as to produce in the corresponding teeth 17 aligned magnetic fields P and in the same direction (one of these magnetic fields P is therefore oriented radially inwards while the other is oriented radially outwards stator).
Les deux autres bobines 18b sont soumises à une tension alternative induite provoquée par le passage des dents 16 devant les dents 17 lors de la rotation du rotor 14. Ces bobines 18b de réception sont reliées ensemble de façon à former une phase U comme indiqué sur la figure 5. Comme déjà expliqué en regard des figures 1 à 4 le courant d'excitation est avantageusement continu et régulé par l'unité de commande de puissance 7 de façon que la tension de sortie générée par les bobines 18a soit constante.The other two coils 18b are subjected to an induced alternating voltage caused by the passage of the teeth 16 in front of the teeth 17 during the rotation of the rotor 14. These receiving coils 18b are connected together so as to form a phase U as indicated on the Figure 5. As already explained with reference to Figures 1 to 4 the excitation current is advantageously continuous and regulated by the power control unit 7 so that the output voltage generated by the coils 18a is constant.
Comme dans le premier mode de réalisation de l'invention, la réluctance magnétique totale du circuit magnétique en cours entourant l'ensemble des bobines 18a qui sont excitées par le courant reste sensiblement constante durant la rotation du rotor 14. Autrement dit, la
somme des sections de passage de flux magnétique entre les paires de dents 17 dont les deux dents sont reliées magnétiquement par les dents 16 du rotor, reste constante au cours du temps durant la rotation du rotor. Enfin, les figures 6 et 7 représentent un mode particulièrement avantageux de fixation des dents 16 sur le volant d'inertie 16.As in the first embodiment of the invention, the total magnetic reluctance of the current magnetic circuit surrounding all of the coils 18a which are excited by the current remains substantially constant during the rotation of the rotor 14. In other words, the sum of the magnetic flux passage sections between the pairs of teeth 17, the two teeth of which are magnetically connected by the teeth 16 of the rotor, remains constant over time during the rotation of the rotor. Finally, FIGS. 6 and 7 represent a particularly advantageous method of fixing the teeth 16 on the flywheel 16.
Selon ce mode de réalisation, chaque dent 16, qui est réalisée en un matériau magnétique de relativement faible résistance mécanique, est disposée à l'intérieur d'un rebord annulaire 23 du volant d'inertie 5, entre un épaulement axial 24 dudit volant 5 et une patte 25 qui s'étend radialement vers l'intérieur à partir de l'extrémité libre du rebord annulaire 23. Afin de limiter les pertes par courant de Foucault, la dent 16 est fixée sans perçage ni soudure, simplement au moyen d'une cage 26 en tôle d'acier, qui entoure la dent 16 sur cinq côtés. La cage 26 laisse libre la face intérieure de la dent 16 vers le stator pour la transmission du champ magnétique. De plus, ladite cage 26 est emboîtée à force entre la face d'appui 24 et la patte 25, et empêche tout contact direct entre la dent 16 et le volant d'inertie 5.According to this embodiment, each tooth 16, which is made of a magnetic material of relatively low mechanical strength, is disposed inside an annular flange 23 of the flywheel 5, between an axial shoulder 24 of said flywheel 5 and a tab 25 which extends radially inwards from the free end of the annular rim 23. In order to limit the losses by eddy current, the tooth 16 is fixed without drilling or welding, simply by means of a cage 26 made of sheet steel, which surrounds the tooth 16 on five sides. The cage 26 leaves the inner face of the tooth 16 free towards the stator for the transmission of the magnetic field. In addition, said cage 26 is force fitted between the bearing face 24 and the tab 25, and prevents any direct contact between the tooth 16 and the flywheel 5.
La cage 26 comporte une face arrière 27 qui présente une forme cylindrique de révolution centrée sur l'axe Z, de façon à épouser parfaitement la face intérieure 23a du rebord 23 ainsi que la forme extérieure de la dent 16, pour transmettre de façon optimale vers le volant d' inertie 5 les forces centrifuges subies par la dent 16 pendant la rotation du volant d'inertie. Sur ses quatre autres faces, la cage 26 comporte des pattes élastiques 28 qui peuvent être avantageusement pliées de façon à former des ondulations et qui s'appliquent élastiquement contre les quatre faces latérales de la dent 16 de façon à la maintenir par élasticité. Ce maintien est d'autant plus efficace que les
deux faces latérales 16a de la dent 16 convergent vers l'axe Z, de sorte que les pattes élastiques 28 appliquées contre ces faces latérales 16a empêchent tout déplacement de la dent 16 vers l'axe Z (voir figure 7) . Les pattes inférieures 28 peuvent par exemple être au nombre de deux, et elles s'appuient sur l' épaulement 24 du volant d'inertie. La cage 26 peut par ailleurs comporter une seule patte supérieure 28 qui coopère avantageusement avec la patte 25 du volant d'inertie pour immobiliser la cage 26 et la dent 16 par rapport audit volant d'inertie.The cage 26 has a rear face 27 which has a cylindrical shape of revolution centered on the axis Z, so as to perfectly match the inner face 23a of the rim 23 as well as the outer shape of the tooth 16, to transmit optimally to the flywheel 5 the centrifugal forces undergone by the tooth 16 during the rotation of the flywheel. On its four other faces, the cage 26 has elastic tabs 28 which can be advantageously folded so as to form corrugations and which are applied elastically against the four lateral faces of the tooth 16 so as to maintain it by elasticity. This maintenance is all the more effective as the two lateral faces 16a of the tooth 16 converge towards the axis Z, so that the elastic tabs 28 applied against these lateral faces 16a prevent any movement of the tooth 16 towards the axis Z (see FIG. 7). The lower legs 28 may for example be two in number, and they are supported on the shoulder 24 of the flywheel. The cage 26 can moreover comprise a single upper tab 28 which advantageously cooperates with the tab 25 of the flywheel to immobilize the cage 26 and the tooth 16 relative to said flywheel.
A cet effet, dans l'exemple représenté, la patte supérieure centrale 28 de la cage 26 est non seulement en appui sous la patte 25, mais en outre elle comporte deux rabats 29 qui sont repliés de part et d'autre de la patte 25 du volant d'inertie, comme on peut le voir sur la figure 7. De préférence, la patte 25 du volant d'inertie peut présenter une forme sensiblement en T, avec une tête élargie à son extrémité radialement intérieure : dans ce cas, les deux rabats 29 de la patte supérieure centrale 28 s'engagent derrière la tête élargie 25a de la patte 25 et solidarisent totalement la cage 26 et la dent 16 par rapport au volant d' inertie 5.To this end, in the example shown, the central upper tab 28 of the cage 26 is not only bearing under the tab 25, but also it has two flaps 29 which are folded on either side of the tab 25 of the flywheel, as can be seen in FIG. 7. Preferably, the tab 25 of the flywheel can have a substantially T-shape, with an enlarged head at its radially inner end: in this case, the two flaps 29 of the central upper tab 28 engage behind the enlarged head 25a of the tab 25 and completely secure the cage 26 and the tooth 16 relative to the flywheel 5.
La cage 26 peut avantageusement être réalisée en acier inoxydable austénitique, qui présente une conductivité thermique relativement faible par rapport à d'autres aciers, ce qui limite la chaleur transmise par conduction de la dent 16 vers le volant d'inertie 5. Enfin, cet acier est amagnétique, ce qui réduit considérablement les fuites de champ magnétique de la dent 16 vers le volant d'inertie 5, et donc par voie de conséquence les pertes d' énergie par courant de Foucault dans ledit volant d'inertie 5.The cage 26 can advantageously be made of austenitic stainless steel, which has a relatively low thermal conductivity compared to other steels, which limits the heat transmitted by conduction of the tooth 16 towards the flywheel 5. Finally, this steel is non-magnetic, which considerably reduces the magnetic field leaks from tooth 16 towards the flywheel 5, and therefore consequently the energy losses by eddy current in said flywheel 5.
On notera par ailleurs que la patte 25 du volant d'inertie ne recouvre qu'une faible partie de surface de la dent 16 et de la cage 26 dans la direction axiale, de sorte
que ladite patte 25 ne gêne sensiblement pas la dissipation d'énergie thermique de la dent 16 vers l'enceinte 8 du volant d'inertie.
Note also that the tab 25 of the flywheel covers only a small part of the surface of the tooth 16 and of the cage 26 in the axial direction, so that said tab 25 does not substantially interfere with the dissipation of thermal energy from tooth 16 to enclosure 8 of the flywheel.